Universit´e Paul Verlaine - Metz M1-1 (Analyse fonctionnelle)
Master de math´ematiques 1er semestre 2007-2008
Exercices d’Analyse Fonctionnelle
1. Topologie g´
en´
erale
Exercice 1.1. Montrer que les ´egalit´es et inclusions suivantes sont vraies pour toutes
parties Aet Bde tout espace topologique. Dans le cas o`u une seule inclusion est donn´ee,
montrer qu’il n’y a pas ´egalit´e en g´en´eral.
a) ABABb) ˚
A˚
B˚
z }| {
AB
c) nNAn⊂ ∪nNAnd) ˚
z }| {
nNAn⊂ ∩nN˚
Ane) ˚
A˚
˚
A.
f) ˚
A¯
Ag) ˚
˚
A=˚
A
Exercice 1.2. Soit Eun espace topologique.
a) Pour toute partie Ade Eet tout ouvert Vde E, montrer que AV=∅ ⇐AV=.
b) Soient Uet Vdeux ouverts tels que UV=. D´eduire du a) que ˚
UV=puis que
˚
U˚
V=.
Exercice 1.3. Montrer que les inclusions suivantes sont vraies pour toute fonction con-
tinue f:EFet toutes parties AEet BF, mais qu’il n’y a pas ´egalit´e en
g´en´eral.
a) f1(˚
B)
˚
z }| {
f1(B)b) f1(B)f1(¯
B)c) f(¯
A)f(A)
Exercice 1.4. Soient Eet Fdeux espaces topologiques, f:EFet (Ui)iIun re-
couvrement de Epar une famille (´eventuellement infinie) d’ouverts. On suppose que la
restriction de f`a Uiest continue pour tout i. Montrer que fest continue.
Exercice 1.5. Soient Eet Fdeux espaces topologiques, f:EFet (Fk)1knun
recouvrement de Epar une famille finie de ferm´es. On suppose que la restriction de f`a
Fnest continue pour tout n. Montrer que fest continue. La conclusion reste-t-elle vraie
si la famille de ferm´es n’est pas n´ecessairement finie?
Exercice 1.6. Montrer que deux boules ouvertes quelconques de R2sont hom´eomorphes.
Existe-t-il un espace m´etrique Eet deux boules ouvertes de Equi ne sont pas hom´eomorphes?
Montrer que [0,1] et {(x, y)[0,1]2;y=x2}sont hom´eomorphes.
Expliquer pourquoi une sph`ere de R3priv´ee d’un point est hom´eomorphe `a R2.
Exercice 1.7. Montrer qu’un espace topologique est s´epar´e si et seulement si la diagonale
de E×Eest ferm´ee.
Exercice 1.8. Soit f:EFune application, Oune topologie sur E. Soit O0l’ensemble
des parties Ude Ftelles que f1(U)∈ O. Montrer que O0est une topologie, et que
c’est la topologie la plus fine qui rende fcontinue. Montrer que si g:FGest une
application de Fdans un espace topologique G, alors gest continue si et seulement si gf
est continue. [On dit que O0est la topologie finale associ´ee `a l’application f.]
1
2
Exercice 1.9. Soit Eun espace s´epar´e, AE,BE.
a) Montrer que si Aest compact et Bferm´e alors ABest compact.
b) Montrer que si Aet Bsont compacts alors ABest compact.
Exercice 1.10. Montrer que si ARnet BRnsont compacts alors A+B={x+y|x
A, y B}est compact.
Exercice 1.11. a) Quels sont les espaces topologiques tels que de tout recouvrement (non
n´ecessairement ouvert) on peut extraire un sous-recouvrement fini?
b) Quels sont les espaces m´etriques tels qu’il existe un recouvrement ouvert fini?
Exercice 1.12. Soit Eun espace topologique s´epar´e, aEet Kune partie compacte de
Ene contenant pas a. Montrer qu’il existe des ouverts disjoints Uet Vtel que aUet
KV.
En d´eduire que si Aet Bsont des parties compactes disjointes de E, alors il existe des
ouverts disjoints Uet Vtels que AUet BV.
Exercice 1.13. Montrer que dans un espace compact E, tout point admet une base de
voisinages compacts. Pour cela, si xEet Uest un voisinage ouvert de x, on appliquera
l’exercice pr´ec´edent `a xet Uc.
Exercice 1.14. On dit qu’un espace topologique Eest localement compact s’il est s´epar´e
et si tout point admet un voisinage compact. D’apr`es l’exercice pr´ec´edent, cela ´equivaut
au fait que tout point admet une base de voisinages compacts.
On suppose que Eest un espace localement compact non compact. On va construire
sur K=E∪ {∞} une topologie telle que Ksoit compact (on appelle Kle compactifi´e
d’Alexandrov): on dit qu’une partie Ude Kest ouverte si elle v´erifie les deux conditions
suivantes:
UEest un ouvert et
dans le cas o`u ∞ ∈ U,Ucontient le compl´ementaire d’une partie compacte de E.
Montrer que Oest bien une topologie, que Kest compact, que la topologie induite sur E
est bien la topologie de Eet que Eest dense dans K.
Exercice 1.15. Soit Eun espace localement compact. Montrer que tout ferm´e Fde E
et tout ouvert Ude Esont localement compacts. En d´eduire que UFest localement
compact. Montrer que {(x, y)R2;x2+y5etx > 12}est localement compact.
Exercice 1.16. On veut montrer la r´eciproque de l’exercice pr´ecedent. Soit Eun espace
localement compact et soit Aune partie localement compacte. Soit F=A. Pour tout
xA, il existe par d´efinition un voisinage compact Kxde xdans l’espace topologique A.
a) Montrer qu’il existe un voisinage Uxde xdans Etel que UxA=Kx
b) Montrer que A(˚
Ux)cKx.
c) En d´eduire que ˚
UxAKx.
d) Soit U=xX˚
Ux. Montrer que UF=A.
Exercice 1.17. Soit Eun espace m´etrique compact et f:EEune isom´etrie. Montrer
que fest bijective. Pour cela, on consid`ere xEet ε > 0. Soit xn=fn(x). Montrer
qu’il existe met ntels que m<net d(xn, xm)< ε. En d´eduire que d(x, xnm)< ε.
Conclure que f(E) est dense dans E, puis que f(E) = E.
Exercice 1.18. Parmi les parties Ade Rsuivantes, d´eterminer celles qui sont connexes.
Pour celles qui ne le sont pas, trouver une d´ecomposition A=BCavec Bet Cdeux
ouverts ferm´es disjoints non vides.
a) A=R+b) A= [0,1[∪{2}c) A=Q.
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Exercice 1.19. L’intersection de deux parties connexes d’un espace topologique est-elle
connexe?
Exercice 1.20. Montrer que si Aest une partie connexe de R2, alors le projet´e de Asur
l’axe des abscisses est un intervalle.
Exercice 1.21. Montrer que si Fest un ferm´e d’un espace connexe, et si Fr(F) est
connexe, alors Fest connexe.
Exercice 1.22. Montrer que R2priv´e d’un point est connexe, mais que Rpriv´e d’un
point n’est pas connexe. En d´eduire que Ret R2ne sont pas hom´eomorphes.
Exercice 1.23. Montrer que l’ensemble des suites born´ees `a valeurs r´eelles, muni de la
distance d(a, b) = supn|anbn|, n’est pas s´eparable. On pourra utiliser l’ensemble Ades
suites `a valeurs dans {0,1}. On rappelle que An’est pas d´enombrable.
2. Espaces vectoriels norm´
es
Exercice 2.1. Montrer que l’espace E=C([0,1],R) muni de
kfk1=Z1
0
|f(x)|dx
est un espace vectoriel norm´e non complet. Trouver une s´erie normalement convergente
non convergente `a valeurs dans E. Montrer que la norme kfk1n’est pas ´equivalente `a la
norme kfk= supx[0,1] |f(x)|.
Exercice 2.2. Montrer que les formules suivantes d´efinissent bien des normes sur R2, puis
dessiner la boule unit´e dans chacun des cas.
a) k(x, y)k= max(|x|,|y|)b) k(x, y)k1=|x|+|y|c) k(x, y)k2=px2+y2.
Exercice 2.3. Soit p[1,+[. On consid`ere l’espace `p(N) des suites r´eelles v´erifiant
P
n=0 |un|p<. On admet que
kukp=
X
n=1
|un|p!1/p
est une norme sur `p(N). Montrer que `p(N) est complet.
Exercice 2.4. Quels sont les evn dont tous les ferm´es born´es sont compacts? Dont tous
les compacts sont ferm´es born´es? Dont toutes les boules ferm´ees sont compactes? Dont
toutes les sph`eres sont compactes?
Exercice 2.5. On consid`ere l’espace de Banach E=C([0,1]) muni de la norme kfk=
supx[0,1] |f(x)|. Soit T:EEd´efinie par (T f )(x) = exf(x). Montrer que Test lin´eaire
continue, et calculer kTk.
Exercice 2.6. Soit a= (an)nNune suite born´ee. Montrer que l’application Ta:`1(N)
Rd´efinie par Ta(b) = P
n=0 anbnest bien d´efinie, lin´eaire et continue, et que kTak=kak.
Montrer que a7→ Taest un isomorphisme isom´etrique de `(N) sur `1(N).
Exercice 2.7. Soit c0l’espace des suites r´eelles convergeant vers 0, muni de la norme k·k.
Montrer que c0est complet. Soit a= (an)nNune suite appartenant `a `1(N). Montrer
que l’application Ta:c0Rd´efinie par Ta(b) = P
n=0 anbnest bien d´efinie, lin´eaire et
continue, et que kTak=kak1. Montrer que a7→ Taest un isomorphisme isom´etrique de
`1(N) dans (c0).
Exercice 2.8. Soient p,q > 1 tels que 1/p + 1/q = 1. Soit (an)nNune suite appartenant
`a `p(N). Montrer que l’application T:`q(N)Rd´efinie par T(b) = P
n=0 anbnest bien
d´efinie, lin´eaire et continue, et montrer que kTk=kakp.
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Exercice 2.9. Soient El’espace des fonctions C1sur [0,1], et F=C([0,1]). On munit E
et Fde la norme kfk. Montrer que l’application f7→ f0de Edans Fn’est pas continue.
Exercice 2.10. Soit Eun espace vectoriel norm´e, Fun hyperplan. Montrer que les
assertions suivantes sont ´equivalentes:
(i) Fest ferm´e;
(ii) il existe ϕE0tel que F=Ker ϕ;
(iii) F6=E;
(iv) pour tout a /F, l’application (y, z)7→ y+zde F×Radans Eest un isomorphisme
(non isom´etrique en g´en´eral) d’espaces vectoriels norm´es.
Exercice 2.11. Soit Eun espace vectoriel norm´e, Fet Gdeux sous-espaces vectoriels
ferm´es tels que Gsoit de dimension finie et E=FG. Pour tout zG, notons
kzk0= infyFky+zk. Montrer que kzk0est une norme sur G. En d´eduire que les
projections sur Fet Gsont continues, puis que l’application (y, z)7→ y+zde F×Gdans
Eest un isomorphisme (non isom´etrique en g´en´eral) d’espaces vectoriels norm´es.
Exercice 2.12. Soit Eun C-espace de Banach et T∈ L(E). On appelle spectre de Tla
partie Sp(T) = {λC;TλId n’est pas inversible}. Montrer que Sp(T) est un compact
de Cqui contient toutes les valeurs propres de T. (On verra `a l’exercice 3.11 que le spectre
est toujours non vide.)
Soit E=`1et, pour tout a= (an)nN, soit T a Eefini par (T a)n=an
n+1 . Montrer
que Test lin´eaire, continue, que 0 appartient au spectre de Tmais que 0 n’est pas une
valeur propre. Plus pr´ecis´ement, montrer que Sp(T) = {0}∪{ 1
n+1 ;nN}.
Exercice 2.13. Soit E=C([0,1],R) muni de la norme kfk= supx[0,1] |f(x)|et F=
C([0,1],R) muni de la norme kgk=R1
0|g(x)|dx. Montrer que ϕ:E×FRd´efinie par
ϕ(f, g) = R1
0f(x)g(x) dxest bilin´eaire continue et d´eterminer kϕk.
Exercice 2.14. Soit (X, µ) un espace mesur´e. Montrer que L(X, µ) est complet. On
proc`edera comme suit: soit (fn) une suite de Cauchy, on veut prouver que (fn) con-
verge. Montrer que l’on peut supposer kfnfn+1k ≤ 2n. Montrer qu’alors fnconverge
simplement p.p. Notons fla limite, montrer que kfnfk → 0.
Exercice 2.15. Soit T:EFune application lin´eaire continue entre deux espaces de
Banach. On suppose qu’il existe α > 0 tel que kT(x)k ≥ αkxkpour tout x. Montrer que
Im Test ferm´e, et que Tinduit un isomorphisme d’espaces de Banach de Esur Im T.
Exercice 2.16. Soit Eun espace de Banach. Soit Gl’ensemble des ´el´ements inversibles
de L(E). Montrer que pour tous S,T∈ G, on a kS1T1k ≤ kT1k2kSTk
1−kT1k kSTket en
d´eduire que T7→ T1est un hom´eomorphisme de Gdans lui-mˆeme.
Exercice 2.17. Pour tout aR, soit τa:Lp(R)Lp(R) l’application (τa(f))(x) =
f(xa). Montrer que pour tout p[1,+[ et tout fLp(R), l’application a7→ τa(f)
est continue (on utilisera le fait que Cc(R) est dense dans Lp(R)).
Qu’en est-il pour p=?
Exercice 2.18. Soit e1(x) une fonction de classe C`a support compact sur Rtelle que
e10, et RRe1= 1 (il en existe).
Soit en(x) = ne1(nx). Montrer que pour tout p[1,+[ et tout fLp(R), enfest
de classe C, et enffdans Lp(R).
En d´eduire que C
c(R) est dense dans Lp(R).
Exercice 2.19. Soit T:`2`2l’application (T a)n=an
n+1 . Montrer que Test lin´eaire
continue de norme 1. Montrer que Test limite d’op´erateurs de rang fini.
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Exercice 2.20. Soient Hun espace de Hilbert et F,Gdeux sous-espaces vectoriels.
Montrer que FG= (F+G)et que (FG)=F+G.
Exercice 2.21. Soit Hun espace de Hilbert et T∈ L(H). Montrer que (Im T)= ker T
et (Im T)= ker T.
Exercice 2.22. Soit Hun espace de Hilbert, et a, b ∈ L(H). Montrer que ka(x)k ≤ kb(x)k
pour tout xsi et seulement s’il existe c∈ L(H) tel que kck ≤ 1 et a=cb.
Exercice 2.23. Soit Hun espace de Hilbert s´eparable. On consid`ere deux bases Hilberti-
ennes (ei) et (fj). On dit qu’un op´erateur T∈ L(H) est de Hilbert-Schmidt si Pi,j |ha(ei), fji|2
converge. On note provisoirement kak2
e,f cette somme.
Montrer que kake,f ne d´epend pas de la base Hilbertienne f, et que kake,f =kakf,e.
En d´eduire que kake,f ne d´epend pas de e. On note kakHS =kake,f .
Montrer que l’ensemble des op´erateurs de Hilbert-Schmidt, not´e HS, est un espace
vectoriel pour lequel kakHS est une norme. Montrer que HS est un espace de Hilbert.
Montrer que kabkHS ≤ kak kbkHS pour tout a∈ L(H) et bHS.
Exercice 2.24. (espaces de Sobolev) Soit Hm(R) l’ensemble des fL2(R) tels que
ξ7→ |ξ|mˆ
f(ξ) appartienne `a L2(R). Montrer que Hm(R), muni de la norme kfkHm=
kξ7→ (1 + |ξ|m)ˆ
f(ξ)kL2, est un espace de Hilbert.
Montrer que si fest mfois d´erivable, alors fHm(R) si et seulement si f,f0, . . . , f(m)
appartiennent `a L2(R).
Montrer qu’il existe une et une seule application continue Dmde Hs+m(R) dans Hs(R)
telle que pour toute fonction fde classe Cm`a support compact on ait Dm(f) = f(m).
Montrer que 1 D2est un isomorphisme de Hs+2 sur Hs
Exercice 2.25. (Espaces de Sobolev II) Soit I=]0,1[. On note H1(I) l’espace des fonc-
tions fde [0,1] dans Rtelles qu’il existe f0L2(I) v´erifiant f(x) = Rx
0f0(t)dt+constante
(on peut d´emontrer que f0est uniquement d´etermin´ee). Montrer que fest n´ecessairement
continue. On note alors H1
0(I) l’espace des fH1(I) v´erifiant f(0) = f(1) = 0 et on le
munit de la norme kfk2
H1
0
=kfk2
2+kf0k2
2. Montrer que H1
0(I) est un espace de Hilbert.
Exercice 2.26. (Lax-Milgram) Soit Hun espace de Hilbert r´eel. Soit ϕ:H×HR
une application bilin´eaire continue. Montrer qu’il existe T∈ L(H) v´erifiant ϕ(x, y) =
hx, T (y)i.
On suppose de plus que ϕ(x, x)αkxk2pour tout xH, o`u αest une constante
>0 (on dit que ϕest coercive). En utilisant l’exercice 2.15, montrer que l’image de Test
ferm´ee. Montrer ensuite que l’image de Test dense.
Montrer alors le th´eor`eme de Lax-Milgram: soit ϕ:H×HRune application
bilin´eaire continue et coercive. Soit g∈ L(H, R). Alors il existe aHunique tel que
g(x) = ϕ(x, a) pour tout xH.
Exercice 2.27. Soit Hun espace de Hilbert et a∈ L(H). Supposons a=a. On dit
que a0 si ha(x), xi ≥ 0 pour tout x. Pour tous a, b autoadjoints, on dit que ab
si ba0. Montrer que est une relation d’ordre (non totale) sur l’ensemble des
op´erateurs autoadjoints.
Exercice 2.28. Montrer que tout op´erateur T∈ L(H) sur un espace de Hilbert est
combinaison lin´eaire de 4 op´erateurs positifs. On remarquera d’abord que T=T+T
2+
iTT
2iest combinaison lin´eaire de 2 op´erateurs autoadjoints.
Exercice 2.29. Soit Hun espace de Hilbert. On dit que uest une isom´etrie partielle de
Hs’il existe un sous-espace Vtel que u=wpV, o`u pVest la projection orthogonale sur
Vet w:VHest une isom´etrie.
Montrer l’´equivalence entre:
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